基于ARM7与FPGA组成的可编程控制器

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1 引言可编程控制器（Programmable Logic Controller）具有抗干扰强、可靠性高、编程简单的特点，被广泛应用于工业控制领域。但是传统小型可编程控制器难以将智能控制算法嵌入到控制系统中。本文以嵌入式微处理器S3C44B0X＋FPGA为核心设计通用小型的可编程控制器，论述了PLC主机各功能模块通过CAN总线与S3C44B0X连接的接口电路和主机程序设计及执行过程。通过FPGA配置I/O口和嵌入先进的智能控制算法，如PID、模糊控制、神经网络算法等，这些控制算法作为控制模块嵌入PLC的梯形图程序中作为功能模块调用，各个模块之间通过CAN总线连接，用户根据被控对象现场的需求可以选择多个人机界面装置，提供监控控制系统运行状态的便利。2 PLC系统的总体设计系统采用32位嵌入式微处理器S3C44B0X作为可编程控制器的CPU，以此为核心扩展系统需要的存储器；通过FPGA扩展PLC所需要的I/O口，完成相应输入输出模块的设计；系统通过微处理器的SPI接口扩展CAN总线，用于连接上位机、主控机、编程器、以及液晶显示与触摸屏等功能模块进行通信，用户根据被控对象现场需求可以选择多个人机界面装置，这些装置作为扩展模块挂接在CAN总线上；实现智能控制算法的FPGA与主机微处理器S3C44B0X的I/O口连接。用户使用手持编程器编写指令表程序后，通过CAN总线传输到控制主机的存储器中，以便CPU执行这些程序；系统运行的状态参数通过CAN总线传输到监控系统中，在监控系统中显示系统运行的状态；FPGA实现的智能控制算法作为控制模块嵌入PLC梯形图程序中作为功能模块调用。系统的结构框图如图1所示：3 PLC主控器的设计3.1系统存储器的扩展3.1.1 存储器Nor Flash 的扩展可编程控制器需要掉电保存系统启动的引导程序、梯形图或指令表程序，以及解释梯形图或指令表的解释程序，而S3C44B0X微处理器内部没有存储器。闪速存储器（Flash Memory）具有非易失性，并且可轻易擦写，在嵌入式系统中得到广泛的应用。所以本课题采用了2MB的SST39VF1601存储器来存储上面提到的引导程序、解释程序及用户程序。该存储器采用标准的总线接口与处理器交互，对它的读取不需要任何特殊的代码。由于系统启动的引导程序储存在Flash ROM，要把其映射在处理器的Bank0地址空间，这样系统上电复位后，处理器就自动从0x00000000地址处开始取得指令运行。Flash与S3C44B0X的接口电路图如图2所示。处理器ADDR20～1对应着Flash ROM的A19～0，偏移了1位，这是由于S3C44B0X是按照字节编址的，而Flash ROM是以16位为一个存储单元。

图1 系统结构框图3.1.2 SDRAM 的扩展随机存取存储器RAM(Random Access Memory)是易失性的存储器，在掉电后数据即消失。但与ROM器件不同的是，它的随机读写速度非常快，写入数据之前也不需要进行擦写，这些特性使它成为嵌入式系统中必不可少的存储设备之一。为了提高系统执行的速度，在系统启动时，把梯形图或指令表程序复制到读写更快的RAM中，这样系统执行程序的过程在RAM中完成，提高了可编程控制器扫描程序的周期。常用的RAM分为SRAM和DRAM两种类型，其中DRAM又分为DRAM和SDRAM。S3C44B0X芯片本身提供了与DRAM与SDRAM直接接口的解决方案，因此只需对与存储器控制器相关的寄存器进行的适当的配置。本系统采用的同步动态存储器SDRAM为8MB的HY57V641620，映射在Bank6地址空间。接口电路图如3所示。这里的BA即A22～21。由于HY57V641620的存储结构为：1Mbⅹ16ⅹ4 Bank，在电路上以A22～21作为bank地址选择线。
                          
                       
                          
                                 

图2  程序存储器Nor Flash的扩展 图3  SDRAM的扩展3.1.3 EEPROM的扩展在可编程控制器中，一些编程软元件的数据内容需要掉电保存，如：D数据存储器、部分特殊辅助继电器M等。系统通过S3C44B0X自带的IIC接口扩展EEPROM，用来保存这些掉电需要保存数据的编程软元件，在系统启动时，首先把这些软元件的值从EEPROM拷贝到SDRAM中，以便提高系统执行速度。采用的EEPROM型号为：AT24C512，系统扩展原理图如下。系统扩展只需要两根线，一根数据线，一根时钟线，这两根线加上拉电阻是因为IIC总线是开漏输出。

图4  IIC接口扩展EEPROM3.2 I/O口扩展在嵌入式微处理器S3C44B0X中总共有71个普通的I/O口，这些I/O引脚大多都是多功能引脚，其中一些I/O口已经作为专门的应用。系统实现的目标需要128个I/O口，即可编程控制器具备128个点，这样微处理器本身的I/O口无法满足系统的需要，需要通过FPGA扩展。采用的FPGA型号为EP1K30TC208-3。该芯片具有208个引脚，可配置的I/O口最多达到147个。系统通过S3C44B0X总线进行扩展，这样操作FPGA的I/O口就像操作ARM本身的I/O口一样，操作起来非常的方便。FPGA与S3C44B0X的连接框图如图5：ARM地址线、数据线与FPGA的地址线、数据线连接，由于FPGA每个存储单元是16位，而ARM微处理器每次处理的是8位，因此地址线要偏离一位；FPGA的存储单元映射到ARM中的Bank2；nOE、nWE分别是读写信号线；TxD0用来下载FPGA工作需要的配置文件；PF2、PF3、TxD0共三根线提供FPGA启动工作需要的时序；SCLK是ARM与FPGA工作（读、写）需要的时钟。3.3 输入输出模块的扩展可编程控制器输入输出模块主要有数字量和模拟量输入输出。模拟量的输入输出即A/D、D/A是对象过程参数和PLC主机之间的接口。对象过程参数经过传感器转换成标准的电量后，经过A/D转换器进入PLC主机中；PLC主机经过D/A数模转换把数字量转换成模拟量输出。由于S3C44B0X微处理器内部带有了8路10位的A/D转换器，在一些要求不是很高的控制领域，该转换器可以满足要求，因此不需扩展。S3C44B0X内部没有D/A转换器，所以采用的D/A转换器为MAX5741进行扩展，该转换器是4路10位，使用SPI接口进行扩展，其与微处理器的连接原理图如图6：  

图5  FPGA配置I/O口   图6  D/A转换器的扩展
                          
                       
                          
                                3.4 CAN总线扩展系统使用CAN现场总线在各个模块之间交换数据、通信，如：用户使用手持编程器或PC机编写梯形图或指令表程序后，通过CAN总线把程序传输到PLC主机中。由于微处理器S3C44B0X本身没集成CAN控制器，需要单独扩展CAN控制器，采用的CAN控制器为MCP2510，收发器为PCA82C250。MCP2510工作电压为3.3V，能够直接与S3C44B0X微处理器I/O口相连。为进一步提高系统抗干扰性，可在CAN控制器和收发器之间加光耦隔离6N137，原理图如图7：

图7  CAN总线的扩展4程序设计及执行过程程序设计一个关键技术是编写梯形图或指令表程序的解释程序。根据指令的逻辑关系，分别给每条指令编写其对应的子程序，当CPU扫描到某条指令的编码时，就调用其子程序，进行逻辑运算，并把结果送到映像寄存器中。程序执行过程分为三个阶段：输入处理阶段、程序执行阶段、输出处理阶段。如图8所示。系统上电后，完成堆栈、存储器、中断等的初始化；把D数据寄存器值、部分M特殊辅助寄存器值等一些需要掉电保持的数据，从EEPROM拷贝到SDRAM指定的地址中；把用户编写的梯形图或指令表程序从Nor Flash拷贝到SDRAM中以便提高系统的运行速度。最后系统才真正开始扫描用户编写的梯形图或指令表程序。 在输入处理阶段，CPU读取所有输入端子的状态，并把这些状态内容保存在输入映像寄存器中；在程序执行阶段，CPU根据输入状态的信息，从梯形图或指令表程序的第一步开始执行，当CPU扫描到有关智能控制模块时，把智能控制模块的一些设置值、参数送到FPGA中， FPGA在主机扫描程序的同时，并行处理智能控制算法，并不断的把运算的结果送到控制参数存储器中；在输出处理阶段，把输出映像寄存器中的内容送到输出锁存寄存器中，使输出端口电平发生变化，执行机构动作驱动要控制的对象，最后把指针指向程序的第一步，使程序周而复始的工作，直到收到停止工作信号为止。

图8  程序执行过程5 结论本文创新点：基于CAN现场总线、嵌入式微处理器S3C44B0X+FPGA设计的可编程控制器，采用了32位集成度高的嵌入式微处理器S3C44B0X为核心，简化了电路的设计，提高了系统的可靠性及运行速度；通过FPGA配置I/O口，解决了众多芯片I/O口不足的问题，满足了工业控制领域的需求。同时在FPGA中实现的智能控制算法作为功能模块嵌入PLC梯形图程序中，主机执行程序的同时，FPGA也在并行完成智能控制算法的运算，即不影响系统执行的速度，又解决了传统小型PLC不能嵌入智能算法的问题。